Hidrológiai Közlöny, 2021 (101. évfolyam)
2021 / 1. szám
54 Hidrológiai Közlöny 2021. 101. évf. 1. szám MÓDSZEREK A nyers örvény-kovariancia (eddy-covariance - EC) adatokat a Bayreuth Egyetemen fejlesztett Turbulence Knight 3 (TK3) szoftverrel dolgoztuk fel, és számítottuk az impulzusáramokat (Mauder és Fokén 2011). A feldolgozás a kiugró értékek eltávolításával kezdődött (a kiszűrt adatok helyén nem történt interpoláció). A további alkalmazott korrekciós számítások a következők voltak: i) kettős forgatás a szélmérő dőlésének korrigálására (McMillen 1988, Wilczak és társai 2001); ii) Moore-korrekció a spektrális veszteség csökkentésére; iii) Schotanus-korrekció felhajtóerő miatt (Fokén és társai 2004); iv) Webb-korrekció a sűrűségváltozások hatása miatt (Webb és társai, 1980). A turbulens impulzusáramokat 20 perces átlagokra számítottuk. A mért adatok minőségbiztosítása a Fokén és társai (2004) féle értékelési rendszert követi, miszerint az adatokat 9 minőségi osztályba (quality class - QC) soroltuk többféle teszt együttes értékelése alapján. Az osztályozás szerint 1 jelenti a kiváló, 9 a rossz minőséget. A rossz minőségű adatok kiszűrésére alkalmazott küszöbértékek irodalmi ajánlások és érzékenységvizsgálat alapján választottuk meg. Adatot akkor fogadunk el, ha QC <7 minőségi osztályba kerül és a fluxus variancia (aju•) teszt kevesebb, mint 40%-os eltérést mutat a mért és az elméleti értékek között. Ez utóbbi a turbulens viszonyok stacionaritását hivatott biztosítani, ami alapfeltevése az örvény-kovariancia eljárás alkalmazhatóságának. Emellett további két minimum határértéket is előírtunk a stacionárius állapot biztosítására úgy, mint Aí/ion <50% szélsebesség-változás és ADir <30° szélirány-változás, ahol [/ion a 10 méter magasan mért neutrális szélsebességet jelenti, amely a szakirodalmi összehasonlításokban használatos és A pedig két egymást követő 20 perces szélsebesség és szélirány átlag értékei közötti különbséget jelenti. Végül, további két határétéket alkalmaztunk a kis szelek kiszűrésére, mint [/ion > 2 m/s és u* > 5 cm/s, hogy kizárható legyen a felhajtóerő által dominált szabad konvekció (Abdella és D Alessio 2005). A hullámzási viszonyokat az ultrahangos távolságmérés elvén működő Signature műszerből származó nyers vízfelszinmozgás adatai alapján határoztuk meg. A feldolgozást saját fejlesztésű algoritmusok segítségével végeztük, ami tartalmazta az adatok trendmentesítését és a kiugró értékek szűrését (lineáris interpolációval kiegészítve). A hullámzást jellemző paramétereket elsősorban spektrális elemzés útján vezettük le, de az ún. zerocrossing módszerrel ellenőriztük a számításokat (Holthujsen 2007, Homoródi és társai 2012). A hullámzás statisztikai jellemzőit az EC mérésekkel megegyező 20 perces átlagokra számítottuk. A szignifikáns hullámmagasság (Hs), a periódusidő (7j,) és a hullámhossz (L) mellett további hullámzási jellemzőket is kiszámítottuk, mint a hullámkor (cvlu*), amely a hullám fázissebesség és a szél-csúsztatósebesség hányadosa, valamint a hullámmeredekség (HJL), azaz a hullámmagasság és a hullámhossz hányadosa. A hullámzás adatok esetén is alkalmaztunk szűrést, ami a meghajtási hossz-limitált viszonyokra való szűkítést és a legalább Hs> 5 cm hullámmagasságra való szűrést jelentették. Az ellenállási tényezőre és az érdességi magasságra vonatkozó összefüggések levezetéséhez a következő számításokat végeztük, követve a Monin-Obukhov-féle hasonlósági elméletet: i) megválasztottuk az univerzális stabilitási függvényeket (Dyer 1974), ii) kiszámoltuk az érdességi magasságokat a stabilitási függvényekkel korrigált logaritmikus sebességprofilból, iii) korrigáltuk a szélsebességet a 10 méteres neutrális értékre ([/ion), és végül iv) meghatároztuk a 10 méteres neutrális ellenállási tényezőt (Cdion) valamint a Charnock-tényezőt (a). Az ellenállási tényezőre, a Chamock-tényezőre és az érdességi magasságra vonatkozó összefüggéseket kapcsolati görbék illesztésével határoztuk meg, a szélsebesség és a hullámzási viszonyokat jellemző paraméterek függvényében. EREDMÉNYEK ÉS DISZKUSSZIÓ Hidrometeorológiai jellemzők A teljes körű adatellenőrzés és minőségbiztosítás eredményeként 2176 megbizható adatponthoz jutottunk. A kiszűrt adatok 90%-ánál a szélsebesség 4 m/s alatti volt, amikor a légköri turbulenciáról már nem mondható el, hogy tisztán mechanikai nyírás által dominált, hanem a hőmérsékleti gradiens okozta felhajtóerő által is befolyásolt. A kiszűrt adatok maradék 10%-ában, pedig a stacionárius állapotra vonatkozó feltétel nem teljesült. A szűrés után a szélsebesség a 2 és 18 m/s közötti tartományba esett. A legkisebb szignifikáns hullámmagasság 5 cm a szűrés miatt, a legnagyobb pedig ~70 cm. A mért szél-csúsztatósebességek 5 és 90 cm/s között alakultak. A mérési időszakban a légköri stabilitást 15%-ban stabil, 44%-ban instabil és 41%-ban neutrális légrétegzettség jellemezte. A 3. ábrán egy rövid időszakon szemléltetjük a mért hidrometeorológiai idősorokat és az alkalmazott szűröket. A nyers adatokat folytonos vonal, a szűrt adatokat karikák jelölik. Kis szelek esetén megfigyelhető, hogy nem teljesül a stacionárius állapot, amelyet a turbulencia kifejlettségét jellemző fluxus variancia alapján történő szűrés jól kezel (3d. ábra). A függőleges sebesség fluktuáció szórása (<rw) és a szél-csúsztatósebesség aránya, az ún. integrált turbulenciakarakterisztika, amelynek az értéke pl. neutrális állapot esetén aju* ~ 1,25 (Fokén és társai 2004). Ettől való számottevő eltérés esetén az adatot kihagytuk a további vizsgálatokból. Ha a szélsebesség és szélirány akárcsak rövidebb ideig állandósul, ez a feltétel szépen teljesül (pl. 2019. augusztus 22-e esti és 23-a hajnali órákban). A 2019. augusztus 21-i rendkívül erős szélvihar esetén pedig az elméleti érték körüli ingadozás is minimális szórással jár, ami jól mutatja, hogy teljes mértékig a szél keltette nyírás alakítja a turbulencia viszonyokat. A hullámzási paraméterek a szélsebesség mellett a széliránytól is függenek a változó meghajtási hossznak köszönhetően. A bemutatott idősoron az is jól látható, hogy keleti szélirányból adódó nagy meghajtási hossznak köszönhetően is jelentős hullámzás figyelhető meg alacsonyabb í/ion~5 m/s-os szélsebesség mellett is 2019. augusztus 24-én napközben. Összeségében tehát egy statisztikailag megbízható adatsor jött létre, amely a szélsebesség, szélirány és légköri stabilitás széles skáláját fedi le, és amely egyaránt kielégíti a mérési módszerrel kapcsolatos elvárásokat, valamint a vizsgált jelenség elméleti alapfeltevéseit.
